【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电池领域，具体涉及一种动态可重构电池系统拓扑结构及在线均衡方法。
技术介绍
1、随着新型电力系统的深入构建，其高电力电子化、高新能源占比的特征愈专利技术显。面对“双高”电网频率波动、电压不稳、惯量不足等问题，亟需大量灵活快速调节资源以维持电网稳定运行。电池储能系统具有响应迅速、灵活可控、无地理因素制约等优势得到了快速发展。但由于电池在制造中存在容量、内阻和自放电率等方面的差异，再加上使用环境不同及长期服役，导致电池系统的不一致性逐渐加剧。实际运行中soc不均衡会影响电池系统功率和容量输出，同时非额定状态下充放电能量效率也会大幅下降。因此对电池系统进行均衡管理，是延长电池寿命，提升系统性能的必要手段。
2、目前对于soc均衡技术，主要有能量耗散型和能量转移型两种。前者结构简单，易于实现，但在平衡过程中需要通过电阻消耗大量能量，会造成电量浪费和热管理问题。后者通过使用电感、电容等储能元件实现能量在电池之间的传输，因此不存在能量浪费，且可以提高电池系统的使用容量。
3、传统均衡方法多为离线均衡，且采用的均衡策略相对单一，能量的损耗较大，能量转移速度也有待提高。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本专利技术提供一种动态可重构电池系统拓扑结构及在线均衡方法，采用分层的均衡拓扑及控制策略，构建动态可重构电池系统，根据不同的运行诉求，提高电池系统的能量利用率与均衡速度。
2、为达到上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：
3、一种
4、本专利技术还提供一种动态可重构电池系统拓扑结构的在线均衡方法，当电池模组内存在soc不均衡时，假定电池单体c11的soc较高，电池单体c31的soc较低，为了实现模组内主动均衡，利用电池单体c11给电池单体c31充电，即导通电池单体c11放电回路的mosfetsd11，电池单体c11给电感ed11充电，待充电结束后，断开sd11；与此同时，导通电池单体c31充电回路的mosfet sc31；或者将mosfet sc31常闭，由此将电感ed11储存的电量以磁耦合方式传递给电感ec31，电感ec31放电给电池单体c31充电，待充电结束后，断开mosfetsc31，从而实现任意高soc电池单体给低soc电池单体充电。
5、进一步地，根据电感与电压的关系，得到电感的计算公式为：
6、(1)
7、其中，为电感值，为电池单体电压，为电感最大电流，为占空比，t为一次放电时长；
8、电感一次充电能够存储和传递的最大电能为：
9、(2)
10、假定一个电池模组由n个电池单体组成，首先计算模组内soc最大值和最小值之差，当大于均衡阈值时，则说明需要均衡，即soc高的电池单体放电给soc低的电池单体充电；
11、然后，按照每个电池单体soc的高低进行排序，求取模组soc的平均值，则soc需要均衡到的范围为。
12、进一步地，soc最高的电池单体放电给soc最低的电池单体充电，当放电的电池单体soc先达到时，断开放电回路，然后闭合soc第二高的电池单体的放电回路开关进行放电，以此类推，直到所有初始soc高于的电池单体都放电至均衡范围内；同理，当充电的电池单体soc先达到时，断开充电回路，然后闭合soc第二低的电池单体的充电回路开关进行充电，以此类推，直到所有初始soc低于的电池单体都充电至均衡范围内；
13、均衡时长t为：
14、(3)
15、其中，为单体电池的容量。
16、进一步地，基于所述电池模组构建m行n列的动态可重构电池系统，对于动态可重构电池系统，首先，计算并联模组的soc最大值和最小值的差，当大于均衡阈值时，则说明需要均衡；
17、求取并联模组soc的平均值，则soc需要均衡到的范围为。
18、进一步地，当电池模组的soc大于，则放电，直至均衡范围；当模组的soc小于，则充电，直至均衡范围。
19、进一步地，为实现电池模组间的在线均衡，假定并联的电池模组的soc排序为电池模组b13>电池模组b12>电池模组b11，当电池系统需要放电时，则导通mosfet b13d，优先使用电池模组b13放电；当放到与电池模组b12相同时，再导通mosfet b12d、mosfet b12b、mosfet b22a，两者同时放电；当放到与电池模组b11相同时，继续导通mosfet b11d、mosfetb11b、mosfet b21a，三者同时放电，从而实现了三者之间的均衡；当电池系统需要充电时，首先导通mosfet b11c、mosfet b11a、mosfet b12a、mosfet b21b、mosfet b22b，优先为电池模组b11充电；当充到与电池模组b12相同时，再导通mosfet b12c，两者同时充电；当充到与电池模组b13相同时，继续导通mosfet b13c，三者同时充电，从而实现了三者之间的均衡。
20、进一步地，电池模组间进行均衡时，同时导通所有充放电回路，实现在线工作电流级均衡。
21、有益效果：
22、1、传统均衡方法多为离线均衡，效率较低，且需要系统暂停正常运行；本专利技术可以实现在线工作电流级均衡，均衡速度较快，且不影响系统的正常运行。
23、2、传统拓扑结构下，当某一电池模组出现故障时，其所在的簇或整个系统将停止运行，这将严重影响到系统的安全稳定运行。本专利技术只需断开串联的mosfet将故障模组切除，不影响其他电池模组的正常工作，能够最大限度的降低对系统的影响。
24、3、在故障应对时，即使都采取更换新模组的策略，传统拓扑下一般将新模组先离线进行充放电，待和其他模组soc一致后才串联到电池簇里，耗时较长；而本专利技术直接将新模组接入系统即可，按照上述策略在线均衡，不影响系统的正常使用，整个模组更换过程耗时较短，基本不影响系统的正常运行。
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1.一种动态可重构电池系统拓扑结构，其特征在于，在电池模组内，每个电池单体并联一个充电回路和一个放电回路，两个回路均由一个常开mosfet、异名端电感和方向相反二极管构成；当有均衡需求时，高SOC的电池单体闭合放电回路，同时低SOC的电池单体闭合充电回路，通过磁耦合方式实现能量的转移；在电池模组间，每个电池模组串联一对方向相反的常闭mosfet，相邻电池模组间并联一对方向相反的常开mosfet，通过mosfet的导通顺序和时间来实现电池模组间的离线和在线均衡，从而提高电池系统的能量利用效率和容量可信度；mosfet表示金属氧化物半导体场效应晶体管，SOC表示荷电状态。
2.根据权利要求1所述的一种动态可重构电池系统拓扑结构的在线均衡方法，其特征在于，当电池模组内存在SOC不均衡时，假定电池单体C11的SOC较高，电池单体C31的SOC较低，为了实现模组内主动均衡，利用电池单体C11给电池单体C31充电，即导通电池单体C11放电回路的mosfet Sd11，电池单体C11给电感Ed11充电，待充电结束后，断开Sd11；与此同时，导通电池单体C31充电回路的mosfet
3.根据权利要求2所述的在线均衡方法，其特征在于，根据电感与电压的关系，得到电感的计算公式为：
4.根据权利要求3所述的在线均衡方法，其特征在于，SOC最高的电池单体放电给SOC最低的电池单体充电，当放电的电池单体SOC先达到时，断开放电回路，然后闭合SOC第二高的电池单体的放电回路开关进行放电，以此类推，直到所有初始SOC高于的电池单体都放电至均衡范围内；同理，当充电的电池单体SOC先达到时，断开充电回路，然后闭合SOC第二低的电池单体的充电回路开关进行充电，以此类推，直到所有初始SOC低于的电池单体都充电至均衡范围内；
5.根据权利要求2所述的在线均衡方法，其特征在于，基于所述电池模组构建m行n列的动态可重构电池系统，对于动态可重构电池系统，首先，计算并联模组的SOC最大值和最小值的差，当大于均衡阈值时，则说明需要均衡；
6.根据权利要求5所述的在线均衡方法，其特征在于，当电池模组的SOC大于，则放电，直至均衡范围；当模组的SOC小于，则充电，直至均衡范围。
7.根据权利要求5所述的在线均衡方法，其特征在于，为实现电池模组间的在线均衡，假定并联的电池模组的SOC排序为电池模组B13>电池模组B12>电池模组B11，当电池系统需要放电时，则导通mosfet B13d，优先使用电池模组B13放电；当放到与电池模组B12相同时，再导通mosfet B12d、mosfet B12b、mosfet B22a，两者同时放电；当放到与电池模组B11相同时，继续导通mosfet B11d、mosfet B11b、mosfet B21a，三者同时放电，从而实现了三者之间的均衡；当电池系统需要充电时，首先导通mosfet B11c、mosfet B11a、mosfet B12a、mosfet B21b、mosfet B22b，优先为电池模组B11充电；当充到与电池模组B12相同时，再导通mosfet B12c，两者同时充电；当充到与电池模组B13相同时，继续导通mosfet B13c，三者同时充电，从而实现了三者之间的均衡。
8.根据权利要求5所述的在线均衡方法，其特征在于，电池模组间进行均衡时，同时导通所有充放电回路，实现在线工作电流级均衡。
...【技术特征摘要】
1.一种动态可重构电池系统拓扑结构，其特征在于，在电池模组内，每个电池单体并联一个充电回路和一个放电回路，两个回路均由一个常开mosfet、异名端电感和方向相反二极管构成；当有均衡需求时，高soc的电池单体闭合放电回路，同时低soc的电池单体闭合充电回路，通过磁耦合方式实现能量的转移；在电池模组间，每个电池模组串联一对方向相反的常闭mosfet，相邻电池模组间并联一对方向相反的常开mosfet，通过mosfet的导通顺序和时间来实现电池模组间的离线和在线均衡，从而提高电池系统的能量利用效率和容量可信度；mosfet表示金属氧化物半导体场效应晶体管，soc表示荷电状态。
2.根据权利要求1所述的一种动态可重构电池系统拓扑结构的在线均衡方法，其特征在于，当电池模组内存在soc不均衡时，假定电池单体c11的soc较高，电池单体c31的soc较低，为了实现模组内主动均衡，利用电池单体c11给电池单体c31充电，即导通电池单体c11放电回路的mosfet sd11，电池单体c11给电感ed11充电，待充电结束后，断开sd11；与此同时，导通电池单体c31充电回路的mosfet sc31；或者将mosfet sc31常闭，由此将电感ed11储存的电量以磁耦合方式传递给电感ec31，电感ec31放电给电池单体c31充电，待充电结束后，断开mosfet sc31，从而实现任意高soc电池单体给低soc电池单体充电。
3.根据权利要求2所述的在线均衡方法，其特征在于，根据电感与电压的关系，得到电感的计算公式为：
4.根据权利要求3所述的在线均衡方法，其特征在于，soc最高的电池单体放电给soc最低的电池单体充电，当放电的电池单体soc先达到时，断开放电回路，然后闭合soc第二高的电池单体的放电回路开关进行放电，以此类推，直到所有初始soc高于的...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙玉树，唐西胜，李宁宁，刘浩，王健，王兵，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：
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